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DE10335425B3 - Heat storage unit, for storing heat, comprises base body made from ceramic materials for storing heat and having heat-conducting insert surrounded by protective layer - Google Patents

Heat storage unit, for storing heat, comprises base body made from ceramic materials for storing heat and having heat-conducting insert surrounded by protective layer Download PDF

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Abstract

A heat storage unit comprises a base body (1) made from ceramic materials for storing heat and consisting of a heat-conducting insert (2) surrounded by a protective layer (3). The insert is enclosed by a casing for reducing thermal stress. The casing is made from compensation layers (4) made from a highly porous ceramic material whose pores are produced using artificial pore formers.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher. Ein Wärmespeicher der genannten Art besteht aus einer Kombination eines wärmeleitenden und eines wärmespeichernden festen Körpers. Mit Hilfe von wärmeleitenden Einlagerungen wird Wärme rascher und umfassender in ein wärmespeicherndes Medium eingebracht.The invention relates to a heat accumulator. On heat storage the type mentioned consists of a combination of a thermally conductive and one that stores heat solid body. With the help of thermally conductive Storage becomes heat faster and more comprehensive in a heat storage Medium introduced.

EP 299 903 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmespeichermediums für den direkten Kontakt; hierbei wird ein Körper aus Grundmetall und eine in sich zusammenhängende Keramikschicht, die einstückig mit dem Metallkörper ausgebildet ist und diesen Grundkörper einkapselt, vorgeschlagen. EP 299 903 A1 discloses a method of making a heat storage medium for direct contact; a body made of base metal and a coherent ceramic layer, which is formed in one piece with the metal body and encapsulates this base body, is proposed.

DE 197 43 579 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer thermomechanischen Wärmedämmschicht, bei dem eine keramische Wärmedämmschicht durch thermisches Spritzen auf eine metallische Komponente aufgebracht wird, wobei die Wärmedämmschicht während oder nach dem Aufbringvorgang gestrahlt wird. Im weiteren legt es eine Wärmedämmschicht offen, die durch thermisches Spritzen auf eine metallische Komponente aufgebracht ist, keramisch ist und eine poröse Struktur aufweist, wobei die Wärmedämmschicht durch Strahlen gebildete, oberflächennahe Risse aufweist. DE 197 43 579 A1 describes a method for producing a thermomechanical thermal barrier coating in which a ceramic thermal barrier coating is applied to a metallic component by thermal spraying, the thermal barrier coating being blasted during or after the application process. Furthermore, it discloses a thermal insulation layer which is applied to a metallic component by thermal spraying, is ceramic and has a porous structure, the thermal insulation layer having cracks formed near the surface by blasting.

Es ist bekannt, metallische Werkstoffe in poröse keramische Werkstoffe einzubringen und Metall-Keramische Verbundwerkstoffe, Ceramic-Metal-Matrix-Components, zu schaffen. Beispielgebend dafür ist das Verfahren des Pressure-Infiltration-Castings oder der Liquid-Metal-Infiltration. Des weiteren sind pulvermetallurgische Verfahren, Sprühverfahren und direkte Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen, z.B. Folien-Keramik-Schicht-Verbundwerkstoffe, bekannt. Die so hergestellten Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe finden primär Anwendung in technologisch hochwertigen und komplexen Bereichen.It is known metallic materials in porous bring in ceramic materials and metal-ceramic composites, Ceramic-Metal Matrix Components to accomplish. Exemplary for this is the process of pressure infiltration casting or liquid metal infiltration. They are also powder metallurgical Process, spraying process and direct processes for the production of composite materials, e.g. Foil layer ceramic composites, known. Find the metal-ceramic composites so produced primary Use in technologically high-quality and complex areas.

Wärmespeicher der genannten Art haben vielfach die Funktion, zum verringerten Energieverbrauch in technischen Prozessen, z. B. innerhalb von Brennöfen, beizu tragen; gleichzeitig soll eine einfache, kostengünstige Herstellung gewährleistet sein.heat storage of the type mentioned often have the function of reducing Energy consumption in technical processes, e.g. B. within kilns to contribute; at the same time, simple, inexpensive production is to be ensured his.

Bei konstanten, ununterbrochenen technischen Prozessen, bei denen hohe Energieeinträge erfolgen, etwa bei einem kontinuierlich betriebenen Tunnelofen, dient der für die Bewandung der Anlage eingesetzte Werkstoff primär der Wärmedämmung, um den Energieverlust zu mindern. Im allgemeinen wird ein derartiger Tunnelofen, als Beispiel für einen permanent betriebenen Industrieofen, nur vergleichsweise geringen Temperaturschwankungen ausgesetzt. Es bestehen somit nur eingegrenzte Anforderungen an die Bewandung des Ofens, insbesondere bestehen nur geringe Anforderungen an die Temperaturwechselbeständigkeit des Werkstoffes.With constant, uninterrupted technical processes in which high energy input occurs, in a continuously operated tunnel kiln, for example for the Covering the plant material used primarily for thermal insulation to reduce energy loss to mitigate. In general, such a tunnel kiln is used as an example for one permanent operated industrial furnace, only comparatively small temperature fluctuations exposed. There are therefore only limited requirements the covering of the furnace, in particular there are only minor requirements the resistance to temperature changes of the material.

Bei nicht konstanten, diskontinuierlichen Prozessen, beispielsweise innerhalb eines Industrieofens, steht das Problem, daß das Regime für die notwendigen Beladungsvorgänge zu einem nachhaltigen Wärmeverlust führt. Dieser Energieverlust muß in einem nachfolgenden Prozeßschritt kompensiert werden, das heißt, der Ofen muß wieder auf Betriebstemperatur aufgeheizt werden; die daraus folgenden Energiekosten bestimmen wesentlich die Kosten des Fertigungsprozesses.In the case of inconsistent, discontinuous processes, for example inside an industrial furnace, the problem is that this Regime for the necessary loading processes to sustainable heat loss leads. This loss of energy must a subsequent process step be compensated, that is, the oven has to go again be heated to operating temperature; the resulting energy costs essentially determine the cost of the manufacturing process.

Bei den bekannten Wärmespeichern, die eine wärmeleitende Einlagerung implizieren, führen die unterschiedlichen thermischen Eigenschaften dieser wärmeleitenden Einlagerung und des wärmespeichernden keramischen Grundkörpers, insbesondere die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen, zu Spannungen zwischen diesen beiden Körpern.With the well-known heat stores, which is a heat conductive Imply storage, lead the different thermal properties of these thermally conductive Storage and heat storage ceramic body, especially the different thermal expansions, to tensions between these two bodies.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, diesen Nachteil des Standes der Technik zu beseitigen und insbesondere einen Wärmespeicher vorzuschlagen, der rasch aus der Umgebung Wärmeenergie aufnimmt, sie möglichst dauerhaft speichert und dabei gleichzeitig die Voraussetzungen erfüllt, daß er einfach und kostengünstig herstellbar ist. Zudem soll er geeignet sein, ohne weiteres in diskontinuierlichen Prozessen, wie oben beschrieben, eingesetzt zu werden.It is the object of the invention to overcome this disadvantage of the prior art and in particular a heat accumulator to propose that quickly absorbs heat energy from the environment, if possible saves permanently and at the same time fulfills the requirements that it is simple and inexpensive can be produced. It should also be suitable, without further ado in discontinuous processes, to be used as described above.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den nachfolgenden Ansprüchen.This object is achieved by the characteristic features of the main claim solved. Further advantageous designs result from the following claims.

Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, einen Wärmeleiter mit einem Wärmespeicher so zu kombinieren, daß gegenüber dem Stand der Technik eine nachhaltige Verbesserung erreicht wird. Insbesondere wird mit Hilfe der wärmeleitenden Einlagerungen die Wärme rascher und umfassender in ein wärmespeicherndes Medium eingebracht.The idea lies with the invention Basically, a heat conductor with a heat accumulator to combine so that compared to the State of the art sustainable improvement is achieved. In particular is made with the help of heat-conducting Deposits the heat faster and more comprehensive in a heat storage Medium introduced.

Die Eigenschaften der Wärmeleitung werden durch die Werkstoffwahl und die Geometrie der wärmeleitenden Einlagerungen in einen keramischen Grundkörper bestimmt.The properties of heat conduction are determined by the choice of materials and the geometry of the heat-conducting Inclusions in a ceramic base body determined.

Die wärmeleitende Einlagerung liegt vollständig im Inneren eines Grundkörpers, welcher in die Gruppe der keramischen Werkstoffe einzuordnen ist. Erfindungsgemäß ist die innen liegende, wärmeleitende Einlagerung von zwei weiterführenden Schichten eingefaßt.The heat-conductive storage lies Completely inside a body, which belongs to the group of ceramic materials. According to the invention internal, heat-conducting Storage of two further layers bordered.

Eine erste vollständig umgebende Schicht ist als Schutzschicht ausgebildet. Diese Schutzschicht verhindert ungewollte chemische Reaktionen und Zersetzungsprozesse der wärmeleitenden Einlagerung. Vorzugsweise werden die vorteilhaften Eigenschaften von Graphit für eine derartige Schutzschicht verwendet.A first completely surrounding layer is called Protective layer formed. This protective layer prevents unwanted chemical reactions and decomposition processes of the thermally conductive Storage. The advantageous properties are preferred of graphite for such a protective layer used.

Darauf folgt eine vollständig umschließende Kompensationsschicht, wobei der entstehende Körper wiederum vollständig in dem eigentlichen wärmespeichernden Grundkörper liegt. Der wärmespeichernde Grundkörper besteht aus einem keramischen Werkstoff.This is followed by a completely enclosing compensation layer, being the emerging body again completely in the actual heat storage body lies. The heat storage body consists of a ceramic material.

Der Erfindung liegt also der Gedanke zugrunde, die wärmeleitende Einlagerung mit einer oder mehreren Kompensationsschichten zu ummanteln und diese Schichten aus einem porösen keramischen Werkstoff auszubilden. Diese porösen keramischen Kompensationsschichten dienen dazu, die auftretenden Materialspannungen zu vermindern bzw. die Auswirkungen dieser Spannungen herabzusetzen. Insbesondere werden durch eine oder mehrere Kompensationsschichten die unterschiedlichen thermischen Eigenschaften kompensiert. Beispielgebende Parameter für die unterschiedlichen Schichten liegen in der Werkstoffauswahl, der Porosität, der thermische Eigenschaften und der Prozeßtechnik.The idea is therefore the invention underlying, the thermally conductive To encase storage with one or more compensation layers and to form these layers from a porous ceramic material. This porous ceramic Compensation layers serve the material stresses that occur to reduce or reduce the effects of these tensions. In particular, one or more compensation layers compensated for the different thermal properties. exemplary Parameters for the different layers are in the choice of materials, porosity, thermal properties and process technology.

Gemäß der Erfindung sind die Kompensationsschichten mit einer hohen Porosität ausgestattet. Die Gesamtporosität, also der prozentuale Porenvolumenanteil am Gesamtvolumen des Körpers, die üblicherweise von unter 0,5% bei einer hochfesten Hochleistungskeramik bis zu 95% bei einer hochporösen Filter- bzw. Schaumkeramik reicht, beträgt erfindungsgemäß mindestens 55%.According to the invention, the compensation layers with a high porosity fitted. The total porosity, So the percentage of pore volume in the total volume of the body that is usually from less than 0.5% with a high-strength high-performance ceramic up to 95% with a highly porous Filter or foam ceramic is sufficient, according to the invention is at least 55%.

Diese Porosität, die in bekannter Weise die thermischen Eigenschaften des keramischen Werkstoffes bestimmt, wird mittels künstlicher Porenbildner, die in die Ausgangsmasse der Rohkeramik eingelagert wurden und die während des Sintervorgangs ausbrennen, erzeugt.This porosity, in a known manner, the thermal Properties of the ceramic material are determined using artificial Pore formers, which are embedded in the initial mass of the raw ceramic were and who during burn out of the sintering process.

Mit Vorteil sind somit die thermischen Eigenschaften der wärmeleitenden Einlagerung, also des Kerns, schrittweise kontrolliert nach außen an die Eigenschaften des wärmespeichernden Grundkörpers angepaßt. Die Aufbringung der Kompensationsschichten erfolgt schrittweise in mehreren Brennvorgängen; ggf. kann auf der ersten Schicht eine oder mehrere weiterer Schichten aufgebracht werden, die zudem bei Bedarf mechanisch oder thermisch bearbeitet und/oder glasiert werden können.The thermal ones are therefore advantageous Properties of the thermally conductive Storage, i.e. the core, gradually controlled to the outside Properties of the heat-storing Base body adapted. The The compensation layers are applied gradually in several Firings; if necessary, one or more further layers can be on the first layer can be applied mechanically or thermally if required can be processed and / or glazed.

Als wärmeleitende Einlagerungen werden metallische oder keramische Werkstoffe eingesetzt. Metallische Werkstoffe sind beispielgebend Stahl-Legierungen, insbesondere warmfeste und hochwarmfeste Stähle und Nicht-Eisen-Legierungen, insbesondere der Legierungsgrundstoffe Al oder Cu.Metallic are used as heat-conducting deposits or ceramic materials are used. Metallic materials are exemplary steel alloys, especially heat-resistant and heat-resistant steels and non-iron alloys, especially the alloy base materials Al or Cu.

Ein nicht-metallischer Werkstoff ist vorzugsweise Siliciumcarbid, SiC, aus der Gruppe der Nicht-Oxid-Keramischen-Werkstoffe, der sich durch gute Wärmeleitfähigkeit und hohe Temperaturbeständigkeit auszeichnet.A non-metallic material is preferably silicon carbide, SiC, from the group of non-oxide ceramic materials, which is characterized by good thermal conductivity and high temperature resistance distinguished.

Ein metallischer wärmeleitender Grundkörper ist mit Vorzug porös als offenporiger oder geschlossenporiger Metallschaum ausgebildet. Namentlich die Kombination offenporiger Metallschaum und hochporöse keramische Kompensationsschicht sichert einen nahezu spannungsfreien Verbundwerkstoff.A metallic heat conductive body is preferably porous designed as an open-pore or closed-pore metal foam. Especially the combination of open-pored metal foam and highly porous ceramic Compensation layer ensures an almost stress-free composite material.

Der Wärmespeicher ist bevorzugt für einen Temperaturbereich, der unterhalb des Schmelzpunktes des metallischen Werkstoffes des wärmeleitenden Grundkörpers liegt, ausgelegt.The heat store is preferred for a temperature range, which is below the melting point of the metallic material of the thermally conductive the body lies laid out.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. 1 zeigt hierfür in einer Schemadarstellung den prinzipiellen Aufbau eines Wärmespeichers gemäß der Erfindung.The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawing. 1 shows the basic structure of a heat accumulator according to the invention in a schematic representation.

Der prinzipielle Aufbau des Wärmeleiters nach der Erfindung wird nun folgend von innen nach außen dargestellt.The basic structure of the heat conductor according to The invention will now be shown from the inside out.

Im Inneren des Wärmespeichers liegt die wärmeleitende Einlagerung 2; die von der Schutzschicht 3 vollständig umgeben ist.The heat-conducting storage lies inside the heat accumulator 2 ; that of the protective layer 3 is completely surrounded.

Im weiteren ist diese Kombination von mehreren thermischen Kompensationsschichten 4 vollständig umgeben. Die Kompensationsschichten 4 vermindern die thermischen Spannungen zwischen der Einlagerung 2 und dem keramischen Grundkörper 1. Die Einlagerung 2 mit der Schutzschicht 3 und die umgebende Kompensationsschicht 4 sind vollständig in dem wärmespeichernden Grundkörper 1 eingelagert.Furthermore, this combination of several thermal compensation layers 4 completely surrounded. The compensation layers 4 reduce the thermal stresses between storage 2 and the ceramic base body 1 , The storage 2 with the protective layer 3 and the surrounding compensation layer 4 are completely in the heat-storing body 1 stored.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel, das von einem Einsatz des Wärmespeichers im niederen Temperaturbereich von etwa 200°C (beispielgebend innerhalb eines diskontinuierlichen Prozesses, wie er in einem Trocknungsofen für Keramikbauteile auftritt) ausgeht, besteht die wärmeleitende Einlagerung 2 aus einer Al-Cu-Legierung, die thermische Kompensationsschicht 4 aus einer hochporösen Al2O3-Keramik mit einer Porosität von 60% und der wärmespeichernde Grundkörper 2 aus getrockneter Tonerde.In a first exemplary embodiment, which is based on the use of the heat accumulator in the low temperature range of approximately 200 ° C. (for example within a discontinuous process, as occurs in a drying oven for ceramic components), the heat-conductive embedding exists 2 made of an Al-Cu alloy, the thermal compensation layer 4 Made of a highly porous Al 2 O 3 ceramic with a porosity of 60% and the heat-storing base body 2 from dried alumina.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem der Wärmespeicher für Einsatzgebiete mit einem Temperaturbereich von etwa 1000°C (z. B. in Industrieöfen für keramische Verbundwerkstoffe) vorgesehen ist, besteht dieser aus der wärmeleitenden Einlagerung 2 aus hochwarmfesten Stahl, aus zwei Kompensationsschichten 4 aus hochporöser Keramik, die die Einlagerung 2 ummanteln und den Wärmespeicher und den Grundkörper 2 aus Al2O3. Die Kompensationsschichten 4 sind in getrennten Brennvorgängen aufgebracht und weisen eine unterschiedliche Porosität von 72 bzw. 58% auf.In a further exemplary embodiment, in which the heat store is provided for areas of application with a temperature range of approximately 1000 ° C. (for example in industrial furnaces for ceramic composite materials), this consists of the heat-conducting storage 2 made of high-temperature steel, made of two compensation layers 4 made of highly porous ceramics, which the storage 2 encase and heat storage and the body 2 from Al 2 O 3 . The compensation layers 4 are applied in separate firing processes and have a different porosity of 72 or 58%.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen haben folgende Bedeutung:The ones used in the drawings Reference symbols have the following meaning:

11
wärmespeichernder Grundkörperheat-storing body
22
wärmeleitende Einlagerungthermally conductive warehousing
33
Schutzschichtprotective layer
44
(thermische) Kompensationsschichten(Thermal) compensation layers

Claims (9)

Wärmespeicher bestehend aus einem Wärme speichernden Grundkörper (1) aus der Gruppe der keramischen Werkstoffe, welcher im Inneren eine wärmeleitende Einlagerung (2) besitzt, die von einer Schutzschicht (3) ummantelt ist, und die von der Schutzschicht (3) ummantelte Einlagerung (2) von einer Umhüllung zur Verminderung thermischer Spannungen eingeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung aus einer oder mehreren, in nachfolgenden Brennvorgängen aufgebrachten thermischen Kompensationsschichten (4) aus einem hochporösen keramischen Werkstoff, dessen Poren mittels eingelagerter künstlicher Porenbildner erzeugt wurden, besteht.Heat storage consisting of a heat-storing body ( 1 ) from the group of ceramic materials, which has a heat-conducting insert inside ( 2 ) that has a protective layer ( 3 ) is covered, and that of the protective layer ( 3 ) covered storage ( 2 ) is enclosed by a covering for reducing thermal stresses, characterized in that the covering consists of one or more thermal compensation layers (applied in subsequent firing processes) 4 ) consists of a highly porous ceramic material, the pores of which were created using embedded artificial pore formers. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsschichten (4) aus unterschiedlichen keramischen Werkstoffen bestehen und/oder eine unterschiedliche Porosität aufweisen.Heat store according to claim 1, characterized in that the compensation layers ( 4 ) consist of different ceramic materials and / or have different porosity. Wärmespeicher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Einlagerung (2) aus einem metallischen Werkstoff besteht.Heat accumulator according to claims 1 and 2, characterized in that the heat-conducting insert ( 2 ) consists of a metallic material. Wärmespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Einlagerung (2) aus einem offen- oder geschlossenporigen Metallschaum besteht.Heat storage device according to claim 3, characterized in that the heat-conducting insert ( 2 ) consists of an open or closed-pore metal foam. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Einlagerung (2) aus einem keramischen Werkstoff besteht.Heat accumulator according to claim 1, characterized in that the heat-conductive insert ( 2 ) consists of a ceramic material. Wärmespeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Einlagerung (2) aus der Nicht-Oxid-Keramik Siliciumcarbid besteht.Heat storage device according to claim 5, characterized in that the heat-conducting insert ( 2 ) consists of the non-oxide ceramic silicon carbide. Wärmespeicher nach einem oder mehreren der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (3) aus einem temperaturbeständigen Nicht-Metall-Werkstoff besteht.Heat storage device according to one or more of the above claims, characterized in that the protective layer ( 3 ) consists of a temperature-resistant non-metal material. Wärmespeicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (3) aus Graphit besteht.Heat storage device according to claim 7, characterized in that the protective layer ( 3 ) consists of graphite. Wärmespeicher nach einem oder mehreren der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1) aus gebranntem oder getrockneten Lehm und/oder Ton und/oder Tonerde und/oder tonigen Massen besteht.Heat storage device according to one or more of the above claims, characterized in that the base body ( 1 ) consists of baked or dried clay and / or clay and / or clay and / or clayey masses.
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